单例模式中的volatile关键字

Posted 2020-11-21 keeya

在之前学习了单例模式在多线程下的设计，疑惑为何要加volatile关键字。加与不加有什么区别呢？这里我们就来研究一下。单例模式的设计可以参考个人总结的这篇文章

??背景：在早期的JVM中，synchronized存在巨大的性能开销。因此，有人想出了一个“聪明”的技巧：双重检查锁定（Double-Checked Locking）。人们想通过双重检查锁定来降低同步的开销。下面是使用双重检查锁定来实现延迟初始化的示例代码。

public class DoubleCheckedLocking { // 1
    private static Instance instance; // 2
    public static Instance getInstance() { // 3
        if (instance == null) { // 4:第一次检查
            synchronized (DoubleCheckedLocking.class) { // 5:加锁
                if (instance == null) // 6:第二次检查
                instance = new Instance(); // 7:问题的根源出在这里
            } // 8
        } // 9
        return instance; // 10
    } // 11
}

上述的Instance类变量是没有用volatile关键字修饰的，会导致这样一个问题：
在线程执行到第4行的时候，代码读取到instance不为null时，instance引用的对象有可能还没有完成初始化。
主要的原因是重排序。重排序是指编译器和处理器为了优化程序性能而对指令序列进行重新排序的一种手段。
第7行的代码创建了一个对象，这一行代码可以分解成3个操作：

memory = allocate();　　// 1：分配对象的内存空间
ctorInstance(memory);　// 2：初始化对象
instance = memory;　　// 3：设置instance指向刚分配的内存地址

根源在于代码中的2和3之间，可能会被重排序。例如：

memory = allocate();　　// 1：分配对象的内存空间
instance = memory;　　// 3：设置instance指向刚分配的内存地址
// 注意，此时对象还没有被初始化！
ctorInstance(memory);　// 2：初始化对象

这在单线程环境下是没有问题的，但在多线程环境下会出现问题：

B线程会看到一个还没有被初始化的对象。

A2和A3的重排序不影响线程A的最终结果，但会导致线程B在B1处判断出instance不为空，线程B接下来将访问instance引用的对象。此时，线程B将会访问到一个还未初始化的对象。
所以只需要做一点小的修改（把instance声明为volatile型），就可以实现线程安全的延迟初始化。因为被volatile关键字修饰的变量是被禁止重排序的。